Neuentdeckte CRISPR-Genschere wirkt als Zellkiller

Der entscheidende Unterschied zu der heute am meisten genutzen Nuklease Cas9 im CRISPR-Universum: Wenn die neuentdeckte Cas12a2 invasive RNA erkennt, spaltet die Nuklease diese, kann aber auch andere RNA und DNA in der Zelle wie mit einem Lasso einfangen und schädigen. Damit wird die Zelle (das einzelne Bakterium) abgetötet, die Infektion der Population (des Organismus) aber eingedämmt.

Grundsätzlich seien solche sogenannten abortiven Infektionsabwehrstrategien (Abi) von Bakterien bereits bekannt, meint Postdoc Dmytrenko vom Würzburger Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI). „Wir haben CRISPR-Nukleasen erforscht, die ursprünglich unter Cas12a subsumiert wurden, also unter Nukleasen, die Bakterien vor Eindringlingen schützen, indem sie invasive DNA erkennen und spalten. Als wir jedoch mehr von diesen Nukleasen identifiziert hatten, zeigten sich so viele Unterschiede, dass es sich lohnte, tiefer in die Materie einzusteigen”, berichtet Oleg Dmytrenko, Erstautor der Studie. „Dabei entdeckten wir, dass sich diese Nukleasen, die wir Cas12a2 nannten, nicht nur ganz anders verhalten als Cas12a, sondern auch als jede andere bekannte CRISPR-Nuklease.“

Mitentdecker Chase Beisel, ebenfalls vom HIRI in Würzburg, spricht von einem "Schweizer Taschenmesser" unter den Nukleasen, da so viele weitere Funktionen in Cas12a2 stecken. Beisel hat die aktuellen Untersuchungen an einer ausgewählten Gruppe von CRISPR-Cas-Systemen zusammen mit Matthew Begemann von Benson Hill, Inc. (Missouri) und Ryan Jackson von der Utah State University in den USA initiiert. Die Ergebnisse wurden aktuell in Nature veröffentlicht; begleitet von einer weiterführenden strukturellen Analyse, die ein zweites Team ebenfalls unter Leitung von Ryan Jackson sowie von David Taylor von der University of Texas vorgenommen hat.

„Ein CRISPR-basierter Abwehrmechanismus, der sich auf eine einzige Nuklease stützt, um den Eindringling zu erkennen und zelluläre DNA und RNA abzubauen, wurde jedoch noch nie beobachtet“, sagt der Wissenschaftler. Cas12a2 erkennt Ziel-RNAs, die komplementär zu seiner Leit-RNA sind. Die Bindung auf die RNA löst eine kollaterale Nukleinsäurespaltung aus, die RNA, einzelsträngige DNA und doppelsträngige DNA in Reichweite der Nuklease abbaut. Diese Aktivität führt zum Zelltod vermutlich durch die diversen DNA- und RNA-Schäden, die der Zelle zugefügt werden. Bei den Untersuchungen wurden auch Möglichkeiten entdeckt, Cas12a2 zu mutieren, um die Nukleinsäure zu verändern, die die Nuklease nach Erkennung ihres RNA-Ziels abbaut. Diese Spezifika eröffnen für die Zukunft einen potentiell breiten technologischen Einsatz von diagnostischen bis hin zu therapeutischen Verfahren.

Originalartikel:

Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023)  Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05559-3

Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023) Large-scale structural rearrangements unleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05560-w